海洋石油平臺海水提升泵能量回收可行性研究

熊鑫晨，張圓圓

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057）

1 海洋石油平臺

海洋石油平臺按照結(jié)構(gòu)分可以分為自升式平臺、半潛式平臺和固定式平臺；按照功能分，可以分為海洋鉆井平臺和海洋采油平臺。

海洋鉆井平臺主要是用于鉆探井的海上結(jié)構(gòu)物，平臺上裝鉆井、動力、通信、導(dǎo)航等設(shè)備，以及安全救生和人員生活設(shè)施，是海上油氣勘探開發(fā)不可或缺的設(shè)施。

海洋采油平臺主要是用來開采油氣和對油氣進行初步處理的海上結(jié)構(gòu)物，平臺上裝有采油生產(chǎn)井、油氣處理設(shè)備和生活設(shè)施等。開采后經(jīng)過初步處理的石油和天然氣，通過輸油管道輸送至陸地處理終端或FPSO（Floating Production Storage and Offloading，浮式生產(chǎn)、存儲、卸載平臺）裝置。

2 平臺海水系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)概述

海水系統(tǒng)是平臺生產(chǎn)、消防的重要組成部分，為平臺海水掃線、修井作業(yè)、消防噴淋、污水處理等提供保障。系統(tǒng)主要由2臺海水提升泵和1 套自動反沖洗裝置組成。海水提升泵為多級離心泵，為防止海水腐蝕泵體，泵體均安裝了電解銅鋁裝置。

海水自海水提升泵提升到平臺，經(jīng)過自動反沖洗過濾器，通過壓差計進行控制，當過濾器兩端的壓力差值大于60 kPa 時自動啟動過濾器進行反沖洗。過濾后的海水經(jīng)過分配管線分配到以下用戶：鉆井機、污水處理裝置、造淡機、公用站、消防管網(wǎng)、生活樓。另外，為了保護海水管路，在海水提升泵出口管線安裝由壓力控制閥，其設(shè)點為750 kPa，可維持海水管線壓力不超過750 kPa。

2.2 海水泵的結(jié)構(gòu)

海水提升泵由離心式葉輪和空間導(dǎo)葉的導(dǎo)殼組成，是多級離心泵。泵由止回閥（可泄漏型）、進水端、聯(lián)軸器、泵軸、密封環(huán)、級向套等組成。由于護管直徑大，泵帶有溪水冷卻罩，下端有濾網(wǎng)，可以阻擋大顆粒進入泵中。

2.3 潛水電機的組成

潛水電機由定子、轉(zhuǎn)子、上下導(dǎo)軸承、止推軸承組成。電機是充水式電機，內(nèi)腔充滿防凍潤滑液，由調(diào)節(jié)囊來平衡電機內(nèi)外壓力。電機軸端有機械密封，防護等級為IP68。

3 海水泵現(xiàn)狀

海洋石油平臺均設(shè)有海水泵用以滿足日常海水需要。除此之外，一些較大的平臺還設(shè)有專門的電動消防泵用以應(yīng)對火災(zāi)等突發(fā)狀況，F(xiàn)PSO 上除了有電動消防泵還設(shè)置有專門的柴油消防泵（圖1）。另外，某些平臺在設(shè)計時考慮到場地規(guī)模、建造成本和平臺大小等因素，并未配備專門的電動消防泵，只設(shè)計配備2 臺海水泵（一用一備），用于滿足日常需要和應(yīng)急需求，而這種兼具應(yīng)急消防功能的海水泵一般需要長期保持在運行狀態(tài)。

圖1 某平臺海水管線示意

海水泵的主要用戶包括廁所用水、鉆修井泥漿池用水和海管清掃等，除鉆修井作業(yè)和停產(chǎn)掃線等大型作業(yè)外，日常的海水用量較小，大部分通過排海管線重新排回海里。

4 水力渦流發(fā)電機原理

水力渦流發(fā)電機（水輪機）的原理是水流經(jīng)過水輪機時帶動扇葉旋轉(zhuǎn)，將水的動能轉(zhuǎn)換為扇葉的機械能，扇葉帶動通過主軸連接的發(fā)電機轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子靜止時采用一定方法通入直流電進行勵磁，在轉(zhuǎn)子繞組軸線上（即直軸方向）產(chǎn)生空間不動幅值恒定的磁場，就是轉(zhuǎn)子磁場。當水輪機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子磁場隨著轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，就得到一個旋轉(zhuǎn)磁場。磁場在旋轉(zhuǎn)時與定子繞組形成相對運動，旋轉(zhuǎn)磁場磁力線切割定子繞組，在定子繞組上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢（電磁感應(yīng)原理），通過引線引出就得到了交流電（圖2、圖3）。

圖2 水輪機葉輪結(jié)構(gòu)示意

圖3 水輪機工作示意

水電站的水力渦流發(fā)電機利用水位的落差形成勢能，將其轉(zhuǎn)換為電能。可以在海水泵的排海管線上安裝水力渦流發(fā)電機，用被排掉的海水作為動力源發(fā)電，實現(xiàn)海水泵能量的有效回收。

5 能量回收計算

以某平臺為例，海水泵電機的額定功率為100 kW，泵的排量為160 m3/h，經(jīng)過現(xiàn)場測量，當海水管線和消防環(huán)網(wǎng)均充滿海水且基本無其他海水用戶的情況下，排海管管線實測排量約160 m3/h，排海管壓力約5～7 bar（0.5～0.7 MPa）。

由水能出力公式N=9.81×η×Q×H 可知，其基本參數(shù)包括：①工作水頭H，單位為m，指單位重量的液體所具有的機械能；②流量Q，單位為m3/s，指單位時間內(nèi)流經(jīng)封閉管道或明渠有效截面的流體量，又稱瞬時流量；③水能機輸出功率N，單位為kW，以勢能、壓能和動能等形式存在于水體中的能量資源通過水能機轉(zhuǎn)化為電能；④效率η（0.7～0.95），指水能機的轉(zhuǎn)化效率，用水能機的輸出功率N 除以水能機的輸入功率即可得到轉(zhuǎn)化效率。

根據(jù)液柱壓強公式P=ρ×g×h，ρ 為液體密度、g 為重力加速度、h 為液柱高度，可以由排海管口壓力推算液柱高度h，近似等于水能出力公式中的水頭H。

取海水密度為1.02～1.07 kg/m3，壓強為5～7 bar（0.5～0.7 MPa），重力加速度g 取9.8 m/s，計算得出液柱高度h≈50～70 m。

將數(shù)據(jù)代入水能出力公式N=9.81×η×Q×H，保守取η 值為最小值0.7，流量Q 換算為0.044 4 m3/s；當H=50 m 時，N=54.936 kW；當H=70 m 時，N=76.910 kW。

綜上所述，考慮到時效等其他因素影響，使用水力渦流發(fā)電機回收海水泵能量保守估計最少可達50 kW/h。

6 回收電能用于照明系統(tǒng)可行性評估

6.1 燈具規(guī)模

照明燈具普遍采用36 W 雙燈管燈具，考慮線路附加損耗，一盞照明燈具功率估算為80 W。保守估算50 kW 的電能可供約超過600 盞照明燈具使用，再考慮到平臺規(guī)模大小，回收電能足夠照明系統(tǒng)使用。

6.2 整流器

考慮海水排海管流量波動和消防應(yīng)急使用海水等情況會影響水力渦流發(fā)電機的工況和運行時率，可以在水力渦流發(fā)電機輸出端接入整流器，將回收的電能由諧波較大的交流電轉(zhuǎn)化為恒穩(wěn)直流。

6.3 電池組和逆變器

整流得到的恒穩(wěn)直流通過直流母線和電池組相連，需要時通過逆變器將恒穩(wěn)直流逆變?yōu)榻涣麟?，這樣“干凈”的交流電基本沒有諧波，電源波形和質(zhì)量都非常高。逆變器的輸出端再通過空氣斷路器接入照明系統(tǒng)控制柜實現(xiàn)供電。

6.4 靜態(tài)開關(guān)

當海水泵出現(xiàn)故障或消防系統(tǒng)需要用海水時，排海管的排海量勢必減少，導(dǎo)致水力渦流發(fā)電機無法正常工作，此時照明系統(tǒng)通過電池組供電。若水力渦流發(fā)電機長時間無法恢復(fù)時，可以通過在照明系統(tǒng)控制柜輸入端并聯(lián)的靜態(tài)開關(guān)切換電源，靜態(tài)開關(guān)的上端接入市電220 V（圖4）。靜態(tài)開關(guān)切換速度快，可達到毫秒級別，可以輕松實現(xiàn)電源的切換。

圖4 系統(tǒng)示意

7 結(jié)論及評價

7.1 結(jié)論

本文介紹了海上平臺海水泵的現(xiàn)狀，并計劃在排海管線處安裝水力渦流發(fā)電機，在保證海水泵的日常使用和滿足應(yīng)急消防功能的前提下，通過水力渦輪發(fā)電機可以最大程度地回收海水泵能量。方案中涉及到的改造和新增設(shè)備工作量都不大、工期較短，施工期間不會對平臺正常運行產(chǎn)生影響。

7.2 安全效應(yīng)

從安全效應(yīng)的角度出發(fā)，此項改造項目也大有裨益。改造后的照明系統(tǒng)在平臺完全失電的情況下還可以保證長時間的照明（照明時間由電池組容量決定），有利于現(xiàn)場作業(yè)人員及時恢復(fù)平臺各項電力設(shè)備和生產(chǎn)設(shè)備，解決了以往平臺失電后應(yīng)急用照明燈只能依賴燈具自身電池供電的情況。

7.3 環(huán)境效應(yīng)

按照24 h 全天候水力渦流發(fā)電機運行的最理想情況，回收的電能最低可達每天1200 kW·h。行業(yè)自發(fā)電折標煤系數(shù)取1.229（每萬千瓦時），經(jīng)計算可知全年可節(jié)約的電量折算為天然氣213 600 m3或77.83 t 標準煤，不僅可以帶來可觀的經(jīng)濟收益，同時還具有節(jié)能減排的良好示范效應(yīng)。